Forscher des FAMU-FSU College of Engineering und des National High Magnetic Field Laboratory haben herausgefunden, dass beim Erhitzen der Verbindung Zinnselenid strukturelle Veränderungen auf atomarer Ebene auftreten – Veränderungen, die ihr dabei helfen, Elektrizität, aber keine Wärme zu leiten.
Die Studie liefert Informationen, die zu neuen Technologien für Anwendungen wie Kühlung oder Abwärmerückgewinnung aus Autos oder Kernkraftwerken führen könnten. Die Forschung wurde veröffentlicht von Naturkommunikation.
„Zinnselenid ist eine merkwürdige Verbindung“, sagte Theo Siegrist, Professor für Chemie- und Biomedizintechnik am FAMU-FSU College of Engineering. „Aufgrund seiner besonderen thermoelektrischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen hat es großes Interesse geweckt. Die Optimierung dieser Eigenschaften könnte in der Zukunft zu realisierbaren Optionen für eine nachhaltige Stromerzeugung und andere Anwendungen führen.“
Wissenschaftler wussten bereits, dass Zinnselenid bei erhöhten Temperaturen einen hohen thermoelektrischen Koeffizienten aufweist, was bedeutet, dass es aus einem Temperaturgradienten einen starken elektrischen Strom erzeugen kann. Die Frage war warum und wie.
Die Forscher fanden heraus, dass die Bindungen zwischen Zinn und Selen beim Erhitzen der Verbindung größtenteils unverändert blieben und immer noch durch drei kurze und mehrere lange Bindungen verbunden waren. Doch die Zinnatome in der Verbindung begannen sich zu bewegen und veränderten sich von einer vollständig geordneten Gitterstruktur in eine teilweise ungeordnete.
„Die ursprüngliche Idee dieser Veränderung war, dass die Atome verschoben wurden, aber wir fanden heraus, dass es sich tatsächlich um einen Phasenübergang von Ordnung zu Unordnung handelte“, sagte Siegrist. „Das Zinnatom flatterte sozusagen herum. Dadurch konnte Zinnselenid die Energiewellen streuen, die Wärme leiten.“
Ein gutes thermoelektrisches Material benötigt eine starke elektrische Leitfähigkeit, aber eine möglichst niedrige Wärmeleitfähigkeit. Bei Zinnselenid wird dies durch eine dynamische Teilfehlordnung der Zinnatome bei erhöhten Temperaturen erreicht, die zu einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit führt.
Siegrist arbeitete bei der Arbeit mit Forschern des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) und der University of Tennessee, Knoxville, zusammen. Um das Material zu testen, verwendeten sie am ORNL eine Art Teilchenbeschleuniger namens Spallationsneutronenquelle. Der Beschleuniger schießt Protonen auf ein Ziel, um Neutronenausbrüche zu erzeugen, die es Wissenschaftlern ermöglichen, die Kristallstruktur dieses Ziels zu analysieren.
Durch die Untersuchung der Vorgänge auf atomarer Ebene können Forscher verstehen, was bestimmte Eigenschaften antreibt, die Ingenieure möglicherweise optimieren möchten.
„Das ist Grundlagenforschung, und wir interessieren uns für den Mechanismus und den Einfluss des Materials, damit es in einem thermoelektrischen Gerät das tut, was wir wollen“, sagte Siegrist. „All diese Ideen können Energieumwandlungsgeräte verbessern, indem sie sie effizienter machen.“
Mehr Informationen:
Bo Jiang et al., Der seltsame Fall des strukturellen Phasenübergangs in SnSe-Erkenntnissen aus der Neutronen-Gesamtstreuung, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38454-0